DE102005023010A1

DE102005023010A1 - Segmentzähler, Lineargeber, Verfahren und Linearantrieb

Info

Publication number: DE102005023010A1
Application number: DE102005023010A
Authority: DE
Inventors: Olaf Dr. Simon; Steffen Quadt; Michael Müller; Jens Schäfer
Original assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Current assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Priority date: 2004-08-18
Filing date: 2005-05-19
Publication date: 2006-03-09

Abstract

Segmentzähler zur Zählung der Anzahl überschrittener Streckenabschnitte, DOLLAR A umfassend mindestens fünf Impulsdrähte, insbesondere Wieganddrähte, und mindestens einen relativ zu diesen bewegbar angeordneten Dauermagneten, DOLLAR A wobei die Impulsdrähte linear voneinander beabstandet angeordnet sind, DOLLAR A wobei die Signale der Impulsdrähte einer elektronischen Schaltung zur Bestimmung der Anzahl überschrittener Streckenabschnitte zuführbar sind, DOLLAR A wobei eine Richtungserkennung vorgesehen ist, wobei nur ein einziger Nordpol eines Dauermagneten zur Auslösung wirksam ist und mindestens ein Südpol, insbesondere ein einziger Südpol, zur Rücksetzung jedes Impulsdrahtes bei Durchfahren einer vollen Streckenperiodenlänge wirksam sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Segmentzähler, einen Lineargeber, ein Verfahren und einen Linearantrieb.

Aus der DE 44 07 474 C1 sind unipolar und auch bipolar wirkende Sensoren bekannt. Unipolar wirkende Impulsdrähte haben die Eigenschaft, bei Überschreitung einer äußeren magnetischen Flussdichte einen Spannungspuls abzugeben. Ein wiederholter Spannungspuls ist jedoch nur dann möglich, wenn zuvor eine ausreichende Flussdichte in umgekehrter Richtung angelegt wurde. Unipolare Impulsdrähte besitzen daher zwei Zustände:
Im ungespannten Zustand ist, wenn bereits ein Impuls durch einen Nordpol erzeugt wurde, ein weiterer Impuls erst möglich, wenn der Impulsdraht wieder gespannt wird, d.h. eine genügend negative Flussdichte anliegt.

Im gespannten Zustand kann ein Impuls ausgelöst werden, wenn die äußere Flussdichte einen genügend positiven Wert annimmt.

Ein Spannungspuls wird nur beim Übergang vom gespannten in den ungespannten Zustand erzeugt.

Aus der DE 44 07 474 C1 ist auch ein Umdrehungszähler bekannt, der mit Hilfe von Wieganddrähten und einem nicht flüchtigen Speicher in der Lage ist, unabhängig von einer externen Spannungsversorgung die Umdrehungszahl einer Welle zu detektieren.

Die in der DE 44 07 474 C1 dargelegten Ausführungsformen weisen für eine technische Umsetzung jedoch erhebliche Nachteile auf: Zum Ersten benötigen alle dargelegten Ausführungsformen, die in der Lage sind, drehrichtungsabhängig die Umdrehungen zu zählen, ein magnetisches Polrad, welches auf dem Umfang mehr als einen Nord- oder mehr als einen Südpol aufweist, welche eine ausreichende Feldstärke besitzen, um die Impulsdrähte zu aktivieren oder auslösen zu können. Diese Notwendigkeit bedeutet, dass bei technischen Realisierungen mehrere Magnete auf dem Polrad appliziert werden müssen. Da dieses Applizieren einen relativ aufwendigen Prozessschritt darstellt, entsteht ein relativ hoher Aufwand und dadurch hohe Kosten.

Wesentlicher Nachteil ist auch, dass die DE 44 07 474 C1 nicht offenbart oder dem Fachmann Hinweise gibt, wie bei Verwendung von unipolar wirkenden Impulsdrähten und nur einem einzigen drehbar hierzu angeordneten Magneten eine kombinierte Vor- und Rückwärtszählung auszuführen sein könnte.

Die DE 44 07 474 C1 offenbart also nur dann ein kombinierter Vor- und Rückwärtszähler, wenn

a) entweder stationäre unipolare Impulszähler und mindestens 3 magnetische rotierende Pole mit ausreichender Feldstärke vorgesehen sind,
b) oder stationäre bipolare Impulsdrähte und ein rotierender Nordpol und ein rotierender Südpol eingesetzt werden.

Um aus den von den Wieganddrähten erzeugten Signalen eine nicht flüchtig abspeicherbare Information über die Umdrehungszahl zu erlangen, ist bei dieser Ausführungsform ein über 7 Schritte ablaufender sequenzieller Algorithmus notwendig, sowie die Abarbeitung und Aktualisierung von drei Zustandsgrößen, nämlich Zählerstand, letzter Umdrehungszustand und Drehrichtungszustand, notwendig. Die Abarbeitung dieses Prozesses muss mit der äußerst geringen Energie des Impulses des Impulsdrahtes realisiert werden. Da die typische Impulslänge eines Impulsdrahtes lediglich 10μs beträgt, ist die Realisierung von Algorithmen mit mehreren Schritten nicht oder nur mit erheblichem Aufwand zu erreichen, beispielsweise indem die Schrittgeschwindigkeit durch zusätzliche technische Maßnahmen klein gehalten wird.

Außerdem wird eine aufwendige Impulslöschschaltung benötigt.

Darüber hinaus ist der Umdrehungszähler nur in Verbindung mit einem Feinwinkelsensor betreibbar, da anders die korrekte Umdrehungszahl N' nicht aus dem Zählerwert N gebildet werden kann.

Aus der Seite www.linmot.com/linmot/ linear motors.htm ist eine Linearmotor mit Elektrohubzylinder bekannt, der in axialer Richtung Bereiche mit unterschiedlicher Magnetisierungsrichtung umfasst.

Aus der DE 30 08 582 ist ein inkrementaler Weggeber bekannt, der allerdings keine Drehrichtungserkennung umfasst.

Aus der DE 42 24 129 A1 ist ein induktiver; rotatorisch arbeitender Drehimpulsgeber bekannt, der allerdings pro magnetischer Periodenlänge in Umfangsrichtung eine hohe Anzahl von Wieganddrähten benötigt. Aus 2 ist klar, dass dort bei schneller Bewegung im Wesentlichen ein dreiphasiger Strom von den über Dioden zusammengeschalteten Impulsdrähten generiert wird. Dessen Phasenlage enthält Information über die Position und Drehrichtung. Allerdings funktioniert das System schlecht, wenn die Relativgeschwindigkeit sinkt. Insbesondere bei Drehrichtungswechsel ist die Winkelinformation ungenau. Wenn beispielsweise der Drehrichtungswechsel mehrfach wiederholt wird mit sehr kleinen Winkelbeträgen gilt dies besonders.

Der hier vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Umdrehungszahlermittlung zu entwickeln, welches mit einem Minimum an Prozessschritten zur Abarbeitung nach der Auslösung eines Impulses durch einen Impulsdraht auskommt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen richtungsabhängigen Lineargeber weiterzubilden, der mit weniger Aufwand und zu geringeren Kosten herstellbar ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe beim Segmentzähler nach den in Anspruch 1 oder 2, beim Lineargeber nach den in Anspruch 14 und beim Verfahren nach den in Anspruch 19 oder 20 und einen Linearantrieb nach den in Anspruch 28 angegebenen Merkmalen gelöst.

Wesentliche Merkmale der Erfindung sind, dass Segmentzähler zur Zählung der Anzahl überschrittener Streckenabschnitte,
wobei er fünf Impulsdrähte, insbesondere Wieganddrähte, umfasst und relativ zu diesen bewegbar angeordnete Dauermagnete, welche entlang der Strecke linear, regelmäßig voneinander beabstandet angeordnet sind,
wobei die Impulsdrähte linear voneinander beabstandet angeordnet sind,
wobei die Signale der Impulsdrähte einer elektronischen Schaltung zur Bestimmung der Anzahl überschrittener Streckenabschnitte zuführbar sind,
wobei Mittel zur Richtungserkennung vorgesehen sind, wobei nur ein einziger Nordpol eines Dauermagneten zur Auslösung wirksam ist und mindestens ein Südpol, insbesondere ein einziger Südpol, zur Rücksetzung jedes Impulsdrahtes bei Durchfahren einer vollen Streckenperiodenlänge wirksam sind,
wobei jedem Streckenabschnitt ein solcher Nordpol und ein oder mehrere solche Südpole zugeordnet sind.

Von Vorteil ist dabei, dass nur zwei Dauermagnete pro Streckenperioden notwendig sind, also mit einem äußerst geringen Trägheitsmoment ausführbar ist. Daher erniedrigen sich die Kosten oder es erhöht sich die Dynamik des Systems – je nach der als beweglich gewählten Komponente. Des Weiteren sind der Aufwand und die Kosten beim Herstellen verringert, da nur zwei Dauermagnete auf der Strecke anzubringen sind.

Vorteiligerweise ist keine aufwendige Impulslöschschaltung notwendig und der Segmentzähler ist auch ohne verbundenen feinauflösenden Lineargeber vorsehbar. Denn es kann trotzdem die korrekte Anzahl zurückgelegter Streckenabschnitte festgestellt werden.

Wesentlicher Vorteil ist aber auch, dass mit nur fünf Impulsdrähten eine drehrichtungsabhängige Zählung realisierbar ist. Insbesondere wird als auch bei einem Drehrichtungswechsel die Drehrichtung richtig erkannt und die Anzahl der überschrittenen Segmente richtig gezählt, insbesondere also die rückwärts überschrittenen abgezogen von der Anzahl der vorwärts überschrittenen. Dabei sind pro Streckenperiode nur ein Nordpol und ein Südpol notwendig.

Alternativ ist für den Zähler kennzeichnend, dass er drei Impulsdrähte, insbesondere Wieganddrähte, umfasst und relativ zu diesen, bewegbar angeordnete Dauermagnet-Nordpole, welche entlang der Strecke linear, regelmäßig voneinander beabstandet angeordnet sind,
wobei vor und hinter jedem Nordpol mindestens ein Südpol angeordnet ist,
wobei die Impulsdrähte linear voneinander beabstandet angeordnet sind,
wobei die Signale der Impulsdrähte einer elektronischen Schaltung zur Bestimmung der Anzahl überschrittener Streckenabschnitte zuführbar sind,
wobei Mittel zur Richtungserkennung vorgesehen sind, wobei nur ein einziger Nordpol eines Dauermagneten zur Auslösung wirksam ist und mindestens zwei Südpole zur Rücksetzung jedes Impulsdrahtes bei Durchfahren einer vollen Streckenperiodenlänge wirksam sind,
wobei jedem Streckenabschnitt ein solcher Nordpol und mindestens zwei solche Südpole zugeordnet sind.

Wesentlicher Vorteil ist, dass die Zahl der minimal notwendigen Impulsdrähte sogar auf drei reduzierbar ist, wenn allerdings jedem Nordpol ein Südpol zugeordnet wird.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Abstand in Streckenrichtung zwischen den beiden, dem jeweiligen Streckenabschnitt zugeordneten, den jeweiligen Nordpol umgebenden Südpolen kleiner als der kleinste Abstand zwischen zwei benachbarten Impulsdrähten. Vorteiligerweise ist somit eine geringe Fehlerrate erreichbar.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die elektronische Schaltung bei dem Bestimmen der Umdrehungen aus den Signalen versorgbar. Von Vorteil ist dabei, dass keine Versorgungsschaltung notwendig ist, insbesondere keine Batterie oder ein anderer Energiespeicher, der elektrische Energie liefern kann.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind der Dauermagnet oder die Dauermagnete senkrecht zur Bewegungsrichtung orientiert. Von Vorteil ist dabei, dass er beim Herstellen einfach zu positionieren ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist jedem Segment einer der Impulsdrähte zugeordnet. Insbesondere umfassen die Segmente jeweils einen ungefähr gleich großen Streckenabschnitt. Von Vorteil ist dabei, dass jedem Segment eine Segmentlänge zuordenbar ist und bei einer Anzahl von 5 oder mehr Segmenten sogar eine Bewegungsrichtungserkennung und somit eine Bestimmung der korrekten Anzahl der zurückgelegten Streckenabschnitte ermöglicht ist, wenn pro Streckenabschnitt nur zwei, entgegengesetzt magnetisierte Magnete eingesetzt werden.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind Daten mit der elektronischen Schaltung mittels eines verbundenen Bussystems austauschbar. Von Vorteil ist dabei, dass die Information über die Anzahl an irgendeinen Busteilnehmer, beispielsweise einen Umrichter, welcher die Information zur Regelung eines Linearmotors verwendet, versendbar ist.

Vorzugsweise ist die elektronische Schaltung zumindest beim Zählvorgang aus den Impulsdrähten versorgbar.

Wesentliche Merkmale bei dem Lineargeber sind, dass er einen Segmentzähler der vorgenannten Art umfasst. Optional umfasst er zusätzlich einen fein auflösenden Lineargeber zur Bestimmung der genauen Relativ-Position. Von Vorteil ist dabei, dass somit ein Geber herstellbar ist, der keine Batterie aufweist und trotzdem die korrekten zurückgelegten Streckenabschnitte zählen kann, also die absolute Position oder über die gesamte Standzeit zurückgelegte Strecke bestimmen kann.

Wesentliche Merkmale bei dem Verfahren sind, dass das Verfahren zur Zählung der Anzahl überschrittener Segmente vorgesehen ist bei einer Vorrichtung, die fünf Impulsdrähte, insbesondere Wieganddrähte, umfasst und relativ zu diesen bewegbar angeordnete Dauermagnete, welche entlang der Strecke linear, regelmäßig voneinander beabstandet angeordnet sind,
wobei die Impulsdrähte linear voneinander beabstandet angeordnet sind,
wobei die Signale der Impulsdrähte einer elektronischen Schaltung zur Bestimmung der Anzahl überschrittener Streckenabschnitte zugeführt werden,
wobei die Richtung berücksichtigt wird, wobei nur ein einziger Nordpol eines Dauermagneten zur Auslösung wirksam ist und mindestens ein Südpol, insbesondere ein einziger Südpol, zur Rücksetzung jedes Impulsdrahtes bei Durchfahren einer vollen Streckenperiodenlänge wirksam sind,
wobei jedem Streckenabschnitt ein solcher Nordpol und ein oder mehrere solche Südpole zugeordnet sind.

Alternativ wird das Verfahren bei einer Vorrichtung angewandt, die drei Impulsdrähte, insbesondere Wieganddrähte, umfasst und relativ zu diesen, bewegbar angeordnete Dauermagnet-Nordpole, welche entlang der Strecke linear, regelmäßig voneinander beabstandet angeordnet sind,
wobei vor und hinter jedem Nordpol mindestens ein Südpol angeordnet ist,
wobei die Impulsdrähte linear voneinander beabstandet angeordnet sind,
wobei die Signale der Impulsdrähte einer elektronischen Schaltung zur Bestimmung der Anzahl überschrittener Streckenabschnitte zugeführt werden, wobei die Richtung berücksichtigt wird, wobei nur ein einziger Nordpol eines Dauermagneten zur Auslösung wirksam ist und mindestens zwei Südpole zur Rücksetzung jedes Impulsdrahtes bei Durchfahren einer vollen Streckenperiodenlänge wirksam sind,
wobei jedem Streckenabschnitt ein solcher Nordpol und mindestens zwei solche Südpole zugeordnet sind.

Vorteiligerweise ist die Anzahl auch bei häufigen Drehrichtungswechseln, insbesondere mit kleinen Winkelbeträgen stets korrekt. Dies gilt außerdem besonders für langsame Relativgeschwindigkeiten.

Wesentlich ist bei der Erfindung auch, dass magnetische Perioden korrekt gezählt werden.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der Zählvorgang durch eine einzelne Übernahme eines Wertes in ein Register realisiert wird. Von Vorteil ist dabei, dass das Zählen in nur einem Automatenlogik ausführbar ist, insbesondere also beispielsweise in nur einem Clockzyklus. Dies ist ein entscheidender und überraschender Vorteil, weil somit in der nur kurzen Zeit, in welcher die elektronische Schaltung aus der Pulsenergie der Impulsdrähte versorgbar ist, der neue Zählwert bestimmt und abgespeichert werden kann. Die typische Länge der Impulse von Impulsdrähten beträgt nämlich beispielsweise nur 10 μs. Der Algorithmus ist also derart schnell ausführbar, dass er innerhalb so kurzer und sogar noch kürzerer Zeitspannen ausführbar ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird nur ein Register beim Bestimmen der Anzahl der zurückgelegten Streckenabschnitte verwendet wird. Von Vorteil ist dabei, dass ein sehr einfach aufgebauter Mikrochip verwendbar ist und dass das eine Register in nur einem Automatenzyklus beschreibbar ist. Hingegen wären bei Verwendung mehrerer Register mehrere Automatenzyklen notwendig zur Abarbeitung des Bestimmens und Abspeicherns des Zählerstandes.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird beim Zählvorgang aus dem im Register gespeicherten Zählerstand Z der vorzeichenlose Modulo-K-Wert gebildet wird, wobei K die Anzahl der Impulsdrähte ist. Von Vorteil ist dabei, dass die Modulo-Bildung sehr einfach, schnell und mit geringem Energieaufwand beim Ausführen realisierbar ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Differenz S aus dem aus den Impulsdrähten gebildete Eingangssignal N und dem vorzeichenlose Modulo-K-Wert gebildet wird. Insbesondere wird danach einem mindestens aus Differenz S und der im Register gespeicherten Bewegungsrichtung D gebildeten Tupel mindestens ein Tupel zugeordnet, das aus einem Additionswert und einem neuen Bewegungsrichtungswert gebildet ist. Von Vorteil ist dabei, dass nur wenige rechnerische Schritte verwendet werden sondern wesentlich eine Tabelle verwendbar ist. Somit ist der Energieaufwand beim Ausführen des Verfahrens sehr klein und das Ergebnis sehr schnell erhältlich, insbesondere innerhalb von wenigen μs oder kürzer.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der neue Bewegungsrichtungswert und eine Summe, welche aus dem Additionswert A und der im Register gespeicherte Zählerstand Z gebildet, als neuer Zählerstand dem Register zum Abspeichern zugeführt werden. Von Vorteil ist dabei, dass dies innerhalb der kurzen Zeitspanne, also einem Automatenzyklus, ausführbar ist. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird das Verfahren als Hardware und/oder Software in einer elektronischen Schaltung eines Segmentzählers oder einer anderen Vorrichtung ausgeführt. Von Vorteil ist dabei, dass das Verfahren integrierbar ist in einen PC oder eine Vorrichtung, die einen Mikrocontroller umfasst.

Wesentliche Merkmale bei dem Linearantrieb sind, dass er einen Elektrohubzylinder umfasst, der linear hintereinander angeordnete Permanentmagnete umfasst, die abwechselnd unterschiedlich magnetisiert sind,
wobei der Elektrohubzylinder nicht nur zur Erzeugung von Antriebskraft vorgesehen ist sondern auch von einem Segmentzähler zum Bestimmen der linearen Position umfasst ist. Somit ist der Hubzylinder gleichzeitig Teil der Krafterzeugungskette und darüber hinaus Grundlage für die Wegmessung. Es ist also kein zusätzliches Geberteil im Segmentzähler notwendig. Nur eine kleine Platine mit Wiegandsensoren muss am relativ zum Elektrohubzylinder bewegbaren Teil des Linearmotors angebracht werden. Da die Anzahl der Wiegandsensoren äußerst gering ist, sind auch die Herstellkosten für den Antrieb gering.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.

0: Impulsdraht
1: Impulsdraht
2: Impulsdraht
3: Impulsdraht
4: Impulsdraht
Z: Zählerstand
D: Drehrichtung
A: Additionswert
K: Anzahl der Impulsdrähte
S: Summe
D+: neuer Drehrichtungswert
Z+: neuer Zählerstand
N: Signal der Impulsdrähte

Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
In der 1 ist eine erfindungsgemäße Impulsdrahtanordnung für einen Umdrehungszähler gezeigt. Dabei sind die gespannten Impulsdrähte (1,2 ) mit einem Pfeil innerhalb eines Rechtecks symbolisiert und die nicht gespannten Impulsdrähte (0,3,4) mit einem Dreieck symbolisiert.
Die in der 1 eingetragenen Zustände der Impulsdrähte ergeben sich nach spätestens einer Umdrehung des Magneten im mathematisch positiven Sinn.
Vorteiligerweise sind die Impulsdrähte, also beispielsweise Wieganddrähte, auf einer Platine befestigbar. Relativ drehbar zu den Impulsdrähten (0,1,2,3,4) ist ein Permanentmagnet angeordnet, welcher beim Drehen das Spannen und Auslösen bewirken kann. Die Impulsdrähte, also Impulssensoren, sind unipolar wirkende Sensoren.
Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen sind statt der gezeigten 5 auch mehr als 5 Impulsdrähte verwendbar oder auch weniger als 5. Beträgt die Anzahl K, sind die Impulsdrähte im Kreis um den rotierenden Magneten herum angeordnet, wobei ihr Abstand ungefähr 360°/K beträgt. Bei weniger als 5 Impulsdrähten sind allerdings mindestens 2 Südpole für die Rücksetzung auf dem Polrad, also auf bei einer Umdrehung, wirksam anzuordnen.
Im Fall K = 5 und in der in 1 gezeigten Stellung wird der Segmentzähler Z mit der Zahl 0 und der Drehrichtungssinn D mit 1 (=aufwärts) initialisiert.
Das Verfahren der Segmentzählung erfolgt nun folgendermaßen. Jedem Impulsdraht wird eine Ziffer zugeordnet. Die Zuordnung erfolgt beginnend mit der Ziffer 0 für den beim Winkel 0° angeordneten Impulsdraht in mit dem Winkel aufsteigender Reihenfolge bis zur Ziffer K-1. Löst ein Impulsdraht einen Impuls aus, so dient dessen Nummer N als Eingangssignal für die Segmentzählung.
Die logische Struktur des Segmentzählers bestehend aus den Zuständen Z und D sowie dem Eingangssignal N und ist in 2 dargestellt.
Bei der vorliegenden Erfindung ist keine aufwendige Impulslöschschaltung notwendig. Außerdem ist kein Feinwinkelsensor notwendig, da die korrekte Umdrehungszahl N' aus den beschriebenen Messergebnissen gebildet werden kann.
Insbesondere wird für die Ermittlung von Mehrfachumdrehungen kein Umdrehungszähler verwendet, bei dem die Information über ganze Umdrehungen in einem Zähler hinterlegt sind, sondern die Information wird in einem Winkelabschnittszähler, also einem Segmentzähler, hinterlegt.
Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert:
Ein Impulsdraht ist ein Sensorelement, welches in der Lage ist, einen Spannungsimpuls von etwa 3 V und etwa 10 μs zeitlicher Länge zu erzeugen. Dieser Impuls kann nicht nur als Informationsquelle sondern auch als Energiequelle verwendet werden. Ein Impulsdraht liefert diesen Spannungspuls, sobald die äußere parallel zum Sensorelement ausgerichtete magnetische Flussdichte einen Schwellwert überschreitet, hier also bewirkt durch beispielsweise den am Impulsdraht vorbeilaufender Nordpol.
Voraussetzung für die Impulsauslösung ist, dass der Impulsdraht vorher magnetisch gespannt wurde; d.h. es war eine über einem Mindestwert liegende magnetische Flussdichte antiparallel zum Sensorelement angelegt; bei der vorliegenden Erfindung wird dies durch beispielsweise den am Impulsdraht vorbeilaufender Südpol bewirkt.
2 zeigt die Automatenlogik des Segmentzählers.
Eine besonders einfache Realisierung lässt sich ableiten, wenn der Segmentzählerstand in einem K'er-Zahlensystem, also beim K=5 in einem Fünfer-Zahlensystem, gespeichert wird.
In diesem Fall ist die Modulo-Operation trivial, da hier einfach die niederwertigste Ziffer der Zahlendarstellung zu verwenden ist.
Die anschließende Differenzbildung zweier Zahlen im Wertebereich von 0 bis K-1 mit einem Ergebnis im gleichen Wertebereich kann als einfache Tabelle realisiert werden.
Ebenso wird die anschließende Tabellenoperation in der aus dem Differenzergebnis S und dem aktuellen Drehrichtungsstand D der Additionswert A und der zukünftige Drehrichtungsstand D+ ermittelt.
Der zukünftige Segmentzählerstand Z+ bildet sich aus dem aktuellen Stand Z addiert mit dem vorzeichenbehafteten Additionswert A.
Die Werte D+, Z+ lassen sich daher allein aus Logischen 'UND'- und 'ODER'-Verknüpfungen aus den Werten D, Z und N ermitteln. Sobald ein Impuls aus einem Impulsdraht anliegt, liegen nach Ablauf der Gatterlaufzeiten gültige Werte für D+ und Z+ vor. Wird nach dieser Gatterlaufzeit ein Clock-Signal erzeugt, erhält man somit mit nur einem einzigen Schritt einen neuen gültigen Segmentzählerstand.
Im Gegensatz zum Stand der Technik, wie insbesondere zur DE 44 07 474 C1 , ist es bei der dargestellten Realisierung auch nicht notwendig, nach der Berechnung eines neuen Zählerstandes die anliegende Impulsenergie zu löschen.
Selbst wenn bei der vorliegenden Erfindung bei andauernder Impulsenergie weitere Clock-Signale erzeugt werden, bleibt das Ergebnis des Segmentzählerstandes stabil erhalten. Diese Eigenschaft verringert den schaltungstechnischen Aufwand erheblich. Weiterhin wird die Zuverlässigkeit erhöht, da ein sicheres Impulslöschen kaum möglich ist, denn zur Ansteuerung des Löschtransistors wird eine Spannung benötigt, welche wiederum aber durch einen Löschtransistor abgebaut werden soll. Ein vollständiges Löschen ist daher nicht möglich.
In 2 ist auch eine Fehlererkennung realisiert. Wenn an den Eingängen die Kombinationen (S = 4, D = 1) oder (S = 1, D = 0) anliegen, ist klar, dass ein Fehler vorliegt. Denn bei funktionierenden Bauteilen können diese Kombinationen nicht entstehen.
Zusätzlich wird also eine Fehlererkennung vom Verfahren ausgeführt, insbesondere zur Erkennung des Ausfalls eines Impulsdrahtes, ohne dass ein wesentlicher Zusatzaufwand notwendig ist. Denn es muss nur von einem oder mehreren mindestens aus Differenz S und der im Register gespeicherten Drehrichtung D gebildeten Tupeln die Erzeugung eines Fehlersignals ausgelöst werden. Der Fehler wird danach übermittelt und mit Mitteln zur optischen, elektrischen oder akustischen Anzeige bemerkbar gemacht.
Eine Umsetzung des erfindungsgemäßen Segmentzählers zeigt 3.
Die dargestellte Lösung weist damit die folgenden Unterschiede zum Stand der Technik insbesondere also zur DE 44 07 474 C1 , auf:

1) Der erfindungsgemäße Segmentzähler besteht nicht aus einem nichtflüchtigen kostspieligen Speicher, welcher mehrere Adressen (für Richtungsbit, alter Zustand und Zählerwert) und sequenzielle Bedienung von Entnahme eines Wertes, Bearbeitung des Wertes und Speicherung des Wertes aufweist.
2) Erfindungsgemäß ist ein einfaches Register aus nicht flüchtigen Flip-Flop's vorgesehen.
3) Erfindungsgemäß ist der vorgesehene Segmentzähler unabhängig von einem Feindrehwinkelsensor betreibbar und als Lagegeber mit geringer Auflösung verwendbar.
4) Die in der Zählschaltung (13) der DE 44 07 474 C1 enthaltene Steuerschaltung (19), bei der eine getaktete sequenzielle Abarbeitung vorgesehen ist, entfällt und wird bei der Erfindung durch eine einfache nicht zu taktende Zähllogik ersetzt, wodurch die Abarbeitungsgeschwindigkeit bei der Erfindung erhöht wird. Bei der Erfindung ist nur noch ein Clockgenerator mit einem Puls notwendig, der den Registerausgang nach Wiederkehr von VCC aktiviert (steigende Flanke des Clock-Signals) und nach Ablauf der Gatterlaufzeiten der Zähllogik das Register den neuen Eingangswert übernehmen lässt (fallende Flanke des Clock-Signals).

Ein anderes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel ist in 4 gezeigt. Dabei zeigt eine Variante für das erfindungsgemäße Zählverfahren für K=3. Diese Variante besitzt den Vorzug, lediglich drei Impulsdrähte zu benötigen, jedoch den Nachteil einer aufwendigeren Polradkonstruktion mit 3 Magneten, die in geringem Winkelabstand hintereinander anzuordnen sind. Der Winkelabstand ist geringer als der zum kleinsten Segment zuzuordnende Winkelbetrag.
Ein anderes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel ist in 5a und 5b gezeigt. An Stelle der in 1 dargestellten radialen Anordnung zwischen Impulsdraht und Magnetpolrad ist dort eine axiale Anordnung ausgeführt.
Die 5a und 5b zeigen für die jeweilige axiale Anordnung von Impulsdraht und Magnet eine Schnittansicht.
Der drehbar angeordnete Magnet bei dem Ausführungsbeispiel nach 5a ist bei dem Ausführungsbeispiel nach 5b als Paar von Magneten gleicher Orientierungsrichtung ersetzt.
In einem weiteren und erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist die beschriebene Anordnung analog umgesetzt auf eine lineare Anordnung. Dabei sind dann die Segmente oder Winkelabschnitte keine Winkelbereiche mehr sondern Streckensegmente, also Streckenabschnitte. Winkelbeträge sind dann Strecken und Winkelabstände bloße Abstände. Statt eines zusätzlichen Feindrehwinkelsensors ist dann also ein fein auflösender linearer Sensor verwendbar.
Die in den 1, 4, 5a, 5b beschriebene rotatorische Anordnung muss im linearen Ausführungsbeispiel periodisch fortgesetzt werden. Die aus den Impulsen im rotatorischen Fall ableitbare Umdrehungszahl geht im linearen Fall in die Zahl zurückgelegter Streckenperioden über. Eine Streckenperiode p entspricht dabei K Segmenten. Daher ist p = K × s, wenn s die Segmentlänge ist.
In der 6 ist ein erstes erfindungsgemäßes lineares Ausführungsbeispiel gezeigt mit K = 5. Es sind nur zwei Magnete pro Streckenperiode notwendig.
In der 7 ist ein erstes erfindungsgemäßes lineares Ausführungsbeispiel gezeigt. Mit K = 3. Es sind drei Magnete pro Streckenperiode notwendig.
Die Anordnung kann untereinander, wie in den 5 und 6 gezeigt, oder übereinander ausgeführt werden.
8 zeigt eine beispielhafte Anordnung der Permanentmagnete für das Ausführungsbeispiel mit K = 5. Sie sind dort als in axialer Richtung unterschiedlich magnetisierter Stab angeordnet.
Somit ist die Erfindung auch bezogen auf Linearantriebe, die einen Linearmotor umfassen, der linear hintereinander angeordnete Permanentmagnete umfasst, die abwechselnd unterschiedlich magnetisiert sind. Beispielsweise ist auch ein Linearmotor mit Elektrohubzylinder verwendbar, so dass der Elektrohubzylinder nicht nur zum Erzeugen der Antriebskraft dient sondern gleichzeitig mit dem Segmentzähler zum Bestimmen der linearen Position zusammenwirkt.

Claims

Segmentzähler zur Zählung der Anzahl überschrittener Streckenabschnitte, dadurch gekennzeichnet, dass er fünf Impulsdrähte, insbesondere Wieganddrähte, umfasst und relativ zu diesen bewegbar angeordnete Dauermagnete, welche entlang der Strecke linear, regelmäßig voneinander beabstandet angeordnet sind, wobei die Impulsdrähte linear voneinander beabstandet angeordnet sind, wobei die Signale der Impulsdrähte einer elektronischen Schaltung zur Bestimmung der Anzahl überschrittener Streckenabschnitte zuführbar sind, wobei Mittel zur Richtungserkennung vorgesehen sind, wobei nur ein einziger Nordpol eines Dauermagneten zur Auslösung wirksam ist und mindestens ein Südpol, insbesondere ein einziger Südpol, zur Rücksetzung jedes Impulsdrahtes bei Durchfahren einer vollen Streckenperiodenlänge wirksam sind, wobei jedem Streckenabschnitt ein solcher Nordpol und ein oder mehrere solche Südpole zugeordnet sind.
Segmentzähler zur Zählung der Anzahl überschrittener Streckenabschnitte, dadurch gekennzeichnet, dass er drei Impulsdrähte, insbesondere Wieganddrähte, umfasst und relativ zu diesen, bewegbar angeordnete Dauermagnet-Nordpole, welche entlang der Strecke linear, regelmäßig voneinander beabstandet angeordnet sind, wobei vor und hinter jedem Nordpol mindestens ein Südpol angeordnet ist, wobei die Impulsdrähte linear voneinander beabstandet angeordnet sind, wobei die Signale der Impulsdrähte einer elektronischen Schaltung zur Bestimmung der Anzahl überschrittener Streckenabschnitte zuführbar sind, wobei Mittel zur Richtungserkennung vorgesehen sind, wobei nur ein einziger Nordpol eines Dauermagneten zur Auslösung wirksam ist und mindestens zwei Südpole zur Rücksetzung jedes Impulsdrahtes bei Durchfahren einer vollen Streckenperiodenlänge wirksam sind, wobei jedem Streckenabschnitt ein solcher Nordpol und mindestens zwei solche Südpole zugeordnet sind.
Segmentzähler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand in Streckenrichtung zwischen den beiden, dem jeweiligen Streckenabschnitt zugeordneten, den jeweiligen Nordpol umgebenden Südpolen kleiner ist als der kleinste Abstand zwischen zwei benachbarten Impulsdrähten.
Segmentzähler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für den Zählvorgang eine einzelne Übernahme eines Wertes in ein Register vorgesehen ist.
Segmentzähler nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulsdrähte unipolar ausgeführt sind.
Segmentzähler nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wobei die elektronische Schaltung bei dem Bestimmen der Anzahl der Streckenperiodenlängen aus den Signalen versorgbar ist.
Segmentzähler nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dauermagnet oder die Dauermagnete senkrecht zur Bewegungsrichtung orientiert sind.
Segmentzähler nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Segment einer der Impulsdrähte zugeordnet ist.
Segmentzähler nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente jeweils eine ungefähr gleich große Segmentlänge umfassen.
Segmentzähler nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Daten mit der elektronischen Schaltung mittels eines verbundenen Bussystems austauschbar sind.
Segmentzähler nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Schaltung zumindest beim Zählvorgang aus den Impulsdrähten versorgbar ist.
Segmentzähler nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein Register beim Bestimmen der Anzahl vorgesehen ist.
Segmentzähler nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Schaltung derart ausgeführt ist, dass beim Zählvorgang aus dem im Register gespeicherten Zählerstand Z der vorzeichenlose Modulo-K-Wert gebildet wird, wobei K die Anzahl der Impulsdrähte ist.
Segmentzähler nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Schaltung Mittel zur Bildung der Differenz S aus dem aus den Impulsdrähten gebildete Eingangssignal N und dem vorzeichenlose Modulo-K-Wert umfasst.
Segmentzähler nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Schaltung Mittel zur Zuordnung umfasst, die einem mindestens aus Differenz S und der im Register gespeicherten Bewegungsrichtung D gebildeten Tupel mindestens ein Tupel zuordnet, das aus einem Additionswert und einem neuen Bewegungsrichtungswert gebildet ist.
Segmentzähler nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Schaltung Mittel zur Summenbildung aus Additionswert A und dem im Register gespeicherten Zählerstand Z umfasst, wobei die hierbei gebildete Summe und der neue Bewegungsrichtungswert dem Register zum Abspeichern zuführbar ist.
Lineargeber, dadurch gekennzeichnet, dass er einen Segmentzähler nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche umfasst.
Lineargeber nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er einen Segmentzähler umfasst und einen weiteren feiner auflösenden Lineargeber und zur Bestimmung der linearen Position eines relativ bewegbaren Teils vorgesehen ist.
Verfahren zur Zählung der Anzahl überschrittener Segmente bei einer Vorrichtung, die fünf Impulsdrähte, insbesondere Wieganddrähte, umfasst und relativ zu diesen bewegbar angeordnete Dauermagnete, welche entlang der Strecke linear, regelmäßig voneinander beabstandet angeordnet sind, wobei die Impulsdrähte linear voneinander beabstandet angeordnet sind, wobei die Signale der Impulsdrähte einer elektronischen Schaltung zur Bestimmung der Anzahl überschrittener Streckenabschnitte zugeführt werden, wobei die Richtung berücksichtigt wird, wobei nur ein einziger Nordpol eines Dauermagneten zur Auslösung wirksam ist und mindestens ein Südpol, insbesondere ein einziger Südpol, zur Rücksetzung jedes Impulsdrahtes bei Durchfahren einer vollen Streckenperiodenlänge wirksam sind, wobei jedem Streckenabschnitt ein solcher Nordpol und ein oder mehrere solche Südpole zugeordnet sind.
Verfahren zur Zählung der Anzahl überschrittener Segmente bei einer Vorrichtung, die drei Impulsdrähte, insbesondere Wieganddrähte, umfasst und relativ zu diesen, bewegbar angeordnete Dauermagnet-Nordpole, welche entlang der Strecke linear, regelmäßig voneinander beabstandet angeordnet sind, wobei vor und hinter jedem Nordpol mindestens ein Südpol angeordnet ist, wobei die Impulsdrähte linear voneinander beabstandet angeordnet sind, wobei die Signale der Impulsdrähte einer elektronischen Schaltung zur Bestimmung der Anzahl überschrittener Streckenabschnitte zugeführt werden, wobei die Richtung berücksichtigt wird, wobei nur ein einziger Nordpol eines Dauermagneten zur Auslösung wirksam ist und mindestens zwei Südpole zur Rücksetzung jedes Impulsdrahtes bei Durchfahren einer vollen Streckenperiodenlänge wirksam sind, wobei jedem Streckenabschnitt ein solcher Nordpol und mindestens zwei solche Südpole zugeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Zählvorgang durch eine einzelne Übernahme eines Wertes in ein Register realisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein Register beim Bestimmen der Anzahl der zurückgelegten Streckenperiodenlängen verwendet wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Zählvorgang aus dem im Register gespeicherten Zählerstand Z der vorzeichenlose Modulo-K-Wert gebildet wird, wobei K die Anzahl der Impulsdrähte ist.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz S aus dem aus den Impulsdrähten gebildete Eingangssignal N und dem vorzeichenlosen Modulo-K-Wert gebildet wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einem mindestens aus Differenz S und der im Register gespeicherten Bewegungsrichtung D gebildeten Tupel mindestens ein Tupel zugeordnet wird, das aus einem Additionswert und einem neuen Bewegungsrichtungswert gebildet ist.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der neue Bewegungsrichtungswert und eine Summe, welche aus dem Additionswert A und der im Register gespeicherte Zählerstand Z gebildet wird, als neuer Zählerstand dem Register zum Abspeichern zugeführt werden.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren als Hardware und/oder Software in einer elektronischen Schaltung eines Segmentzählers nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche oder einer anderen Vorrichtung ausgeführt wird.
Linearantrieb, umfassend einen Elektrohubzylinder, der linear hintereinander angeordnete Permanentmagnete umfasst, die abwechselnd unterschiedlich magnetisiert sind, wobei der Elektrohubzylinder nicht nur zur Erzeugung von Antriebskraft vorgesehen ist sondern auch von einem Segmentzähler zum Bestimmen der linearen Position nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche umfasst ist.